CN109932668A - 基于正反向激励的低磁滞tmr磁场测量装置 - Google Patents

Abstract

基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量装置，包括TMR磁阻传感器、差分转单端芯片、模拟开关、加法器、时钟模块、激励线圈。所述激励线圈缠绕在TMR磁阻传感器表面。所述TMR磁阻传感器信号输出端连接差分转单端芯片的输入端，差分转单端芯片的输出端连接模拟开关的引脚a，模拟开关的引脚b、引脚c分别连接储能电容C1一端、储能电容C2一端，储能电容C1一端、储能电容C2一端与加法器连接，模拟开关的引脚d连接时钟模块，时钟模块通过耦合电容C0连接激励线圈。本发明测量装置结构简单，并且能够有效抑制TMR传感器的磁滞，提高磁场测量的精度。

Description

基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量装置

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，具体涉及一种基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量装置。

背景技术

自20世纪以来，基于量子理论的磁电子学发展迅猛，各种磁性新理论、新材料快速发展，并迅速在信息存储、工业电子、科学探测等领域得到广泛的应用，其中以磁性敏感材料为基础所研制的各类磁阻传感器逐渐成为磁场测量领域中必不可少的组成部分。随着技术的进步，磁阻传感器的种类也不断得到改进和创新，现有的磁阻传感器大致可分为四大类，分别为霍尔效应(Hall Effect)传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁电阻(TMR)传感器。在以上四类磁阻传感器中，TMR传感器是近些年磁场测量领域重点发展的对象，相比而言，它有着更高的灵敏度、更低的功耗和更小的尺寸，例如型号为TMR9001的传感器，其灵敏度已经达到300mV/V/Oe，是其它传感器的十倍甚至数十倍，而它的体积只有45mm³。

在实际运用中，以TMR传感器为敏感元件的磁场测量装置大多采用开环结构。由于TMR传感器虽然具有很好地灵敏度与线性度，但噪声性能较差，所以磁场测量装置中所采用的信号调理电路往往针对传感器的噪声性能来设计，例如通过相敏检波和低通滤波等手段降低其噪声。然而，TMR传感器由磁性多层薄膜材料构成，所以除了噪声较大以外，其材料特性还决定了它本身存在很大的磁滞。目前，江苏多维公司所生产的型号为TMR9001传感器已经成功解决了TMR传感器噪声过大的问题，由数据手册可知，这款芯片的噪声已经降低到然而其磁滞问题还是未能得到有效控制，在±0.5Oe的磁场范围内，它的磁滞高达0.1Oe，这会严重影响传感器的测量性能。

针对TMR传感器的磁滞问题，现有的抑制方法主要有两种：一是利用软件补偿，首先建立相应的传感器输出磁滞模型，得到该传感器的局部磁滞曲线，然后通过算法对该曲线进行补偿，但是由于传感器个体差异，对不同的传感器需要建立不同的磁滞数学模型，操作过程过于复杂，因此不适合批量生产；二是改善TMR传感器材料或采用新型的生产工艺，通过研制新型的敏感材料或是采用新型的生产工艺能够从根本上改变传感器的磁滞，例如有文献通过研究发现，在生产过程中不同的退火温度能改变材料的磁滞。然而，现有的材料或生产工艺在减小传感器磁滞的同时，往往会造成传感器其它性能的损失。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量装置，在开环式TMR磁场测量装置的基础上，在芯片上绕制激励线圈，通过在激励线圈中通入适当的脉冲信号，在激励线圈中产生正向和反向的激励信号，并作用于TMR传感器芯片上，使传感器连续输出正向和反向电压，并经过加法器运算得到经过零点的输出电压信号。本发明测量装置结构简单，并且能够有效抑制TMR传感器的磁滞，提高磁场测量的精度。

本发明采取的技术方案为：

基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量装置，包括TMR磁阻传感器、差分转单端芯片、模拟开关、加法器、时钟模块、激励线圈。

所述激励线圈缠绕在TMR磁阻传感器表面；

所述TMR磁阻传感器信号输出端连接差分转单端芯片的输入端，差分转单端芯片的输出端连接模拟开关的引脚a，模拟开关的引脚b、引脚c分别连接储能电容C1一端、储能电容C2一端，储能电容C1一端、储能电容C2一端与加法器连接，模拟开关的引脚d连接时钟模块，时钟模块通过耦合电容C0连接激励线圈。

所述TMR磁阻传感器焊接在PCB板上，从而保证传感器探头的可靠性，并且在PCB布线时对所有电气元件进行最合理的布局，可以使整个装置的体积达到最小。

所述模拟开关为低功耗的单刀多掷开关。

基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量方法，给磁场测量装置上电时，时钟模块会产生连续的时钟信号，并经过耦合电容C0耦合后输入激励线圈，激励线圈中通入时钟信号后，在每个周期内都会产生一组连续的正反向激励脉冲；

当激励线圈中产生正向激励脉冲并作用于TMR磁阻传感器时，TMR磁阻传感器中会输出与外部待测磁场成正比的正向电压V1，同时模拟开关自动切换到引脚b端，所产生的正向电压V1会先储存到储能电容C1中；

当激励线圈中产生反向激励脉冲并作用于TMR磁阻传感器时，TMR磁阻传感器中会产生正比于外部待测磁场的反向电压V2，同时模拟开关自动切换到引脚c端，所产生的正向电压V2会先储存到储能电容C2中。储存于储能电容C1、储能电容C2中的正反向输出电压V1和V2，经加法器处理后，得最终输出电压V0为：

本发明一种基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量装置，技术效果如下：

1、测量精度高：本发明结合TMR传感器利用激励线圈产生的正向和反向脉冲使传感器输出沿磁滞回线的正反向电压信号，并通过加法器电路对这两个信号进行处理，使传感器输出电压信号始终经过零点，从而抑制TMR传感器的磁滞问题，提高其测量性能。

2、结构简单：该装置由简单的激励电路和加法器电路构成，电器元件较少，因此与软件补偿等方法相比，本发明操作更加简单且更容易实现。

3、适用对象广泛：该装置中所涉及的信号处理电路可用于所有型号的TMR磁场传感器，并且能为其它类型的磁阻传感器提供参考。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明测量装置的整体结构示意图。

图2为本发明测量装置的激励线圈排布示意图。

图3为本发明测量装置的输出曲线示意图。

其中：4-储能电容C1，5-储能电容C2。

具体实施方式

基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量装置，包括TMR磁阻传感器1、差分转单端芯片2、模拟开关3、加法器6、时钟模块7、激励线圈8；

所述激励线圈8缠绕在TMR磁阻传感器1表面；

所述TMR磁阻传感器1信号输出端连接差分转单端芯片2的输入端，差分转单端芯片2的输出端连接模拟开关3的引脚a，模拟开关3的引脚b、引脚c分别连接储能电容C1一端、储能电容C2一端，储能电容C1一端、储能电容C2一端与加法器6连接，模拟开关3的引脚d连接时钟模块7，时钟模块7通过耦合电容C0连接激励线圈8。时钟模块7所产生的脉冲信号经过一个耦合电容C0后与激励线圈8的输入端相连，构成激励电路。所述激励线圈8为一个缠绕在TMR磁阻传感器1上的激励线圈8，在缠绕激励线圈8之前先把TMR磁阻传感器1焊接在PCB板9上，然后将激励线圈8缠绕在TMR磁阻传感器1表面。

所述模拟开关3为型号为CH440的低功耗的单刀多掷开关。

所述TMR磁阻传感器1为江苏多维科技有限公司生产的型号为TMR2102的传感器，该芯片具有功耗低、稳定性好的优点，用来作为敏感元件，将感应外部测量磁场并转换为电压再输出。

所述差分转单端芯片2为型号为AD620的差分放大器芯片。

所述储能电容C1、储能电容C2的电容大小约为100uf。

所述加法器6由OP27放大器构成。

所述时钟模块7由DS1302时钟芯片以及32.768Hz晶振构成。

所述激励线圈8由铜丝绕制而成，线圈大小约为25mm*25mm，线圈匝数为30匝。

基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量方法，

给磁场测量装置上电时，时钟模块7会产生连续的时钟信号，并经过耦合电容C0耦合后输入激励线圈8，激励线圈8中通入时钟信号后，在每个周期内都会产生一组连续的正反向激励脉冲；

当激励线圈8中产生正向激励脉冲并作用于TMR磁阻传感器1时，TMR磁阻传感器1中会输出与外部待测磁场成正比的正向电压V1，同时模拟开关3自动切换到引脚b端，所产生的正向电压V1会先储存到储能电容C1中；

当激励线圈8中产生反向激励脉冲并作用于TMR磁阻传感器1时，TMR磁阻传感器1中会产生正比于外部待测磁场的反向电压V2，同时模拟开关3自动切换到引脚c端，所产生的正向电压V2会先储存到储能电容C2中。储存于储能电容C1、储能电容C2中的正反向输出电压V1和V2，经加法器6处理后，得最终输出电压V0为：

激励线圈8分别受到正向和反向激励后，TMR磁阻传感器1会输出如图3中曲线A、B所示的电压信号，该电压信号经加法器6作加法运算后可得最终输出电压V0。由加法器6进行加法运算后所输出的电压信号的实际的输出曲线如图3中曲线C所示，必定经过零点，因此本发明中TMR磁阻传感器1自身所存在的磁滞问题能够得到抑制。

实施步骤：

(1)：激励线圈8排布，如图2所示，TMR磁阻传感器1焊接在PCB板9上，激励线圈8绕制在TMR磁阻传感器1上。

(2)：把TMR磁阻传感器1的信号输出端与差分转单端芯片2的输入端相连，通过该芯片把TMR磁阻传感器1输出的差分信号转换为单端信号后输出。

(3)：把差分转单端芯片2的输出端与模拟开关3的输入端相连。

(4)：把模拟开关3的输出端引脚b和引脚c与分别与储能电容C1和储能电容C2相连，储能电容C1、储能电容C2分别与加法器6的两个输入端相连，然后利用加法器6做加法运算。

(5)：把模拟开关3的输出端引脚d与时钟模块7相连，时钟模块7所产生的脉冲信号经过一个耦合电容C0后与激励线圈8的输入端相连。

(6)：上电时，当TMR磁阻传感器1处于外部待测磁场中，TMR磁阻传感器1会输出正比于待测磁场的电压信号，同时时钟模块7会输出连续的脉冲信号，该脉冲信号以一组正向加反向的脉冲为一个周期，当脉冲信号作用于激励线圈8时，激励线圈8中便会产生激励信号作用于传感器。当传感器受到正向激励信号时，如图3中曲线A所示，传感器便会输出正比于外部待测信号的正向电压，正弦电压信号经差分转单端芯片2转换后会转换为单端电压信号V1,该电压经模拟开关3输入储能电容C1；当传感器受到反向激励信号时，如图3中曲线B所示，传感器便会输出正比于外部待测信号的反向电压，反向电压信号经差分转单端模块后会转换为单端电压信号V2，该电压经模拟开关输入储能电容C2。如图3中曲线C所示,正向电压V1和反向电压V2输出加法器电路后由加法器6进行处理，得到输出电压信号V0。由加法器进行加法运算后所输出的电压信号的实际的输出曲线如图3中曲线C所示，必定经过零点，因此本发明中TMR传感器自身所存在的磁滞问题能够得到抑制。

Claims (4)

1.基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量装置，包括TMR磁阻传感器(1)、差分转单端芯片(2)、模拟开关(3)、加法器(6)、时钟模块(7)、激励线圈(8)；其特征在于：

所述激励线圈(8)缠绕在TMR磁阻传感器(1)表面；

所述TMR磁阻传感器(1)信号输出端连接差分转单端芯片(2)的输入端，差分转单端芯片(2)的输出端连接模拟开关(3)的引脚a，模拟开关3的引脚b、引脚c分别连接储能电容C1一端、储能电容C2一端，储能电容C1一端、储能电容C2一端与加法器(6)连接，模拟开关(3)的引脚d连接时钟模块(7)，时钟模块(7)通过耦合电容C0连接激励线圈(8)。

2.根据权利要求1所述基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量装置，其特征在于：所述TMR磁阻传感器(1)焊接在PCB板(9)上。

3.根据权利要求1所述基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量装置，其特征在于：所述模拟开关(3)为低功耗的单刀多掷开关。

4.基于正反向激励的低磁滞TMR磁场测量方法，其特征在于：

给磁场测量装置上电时，时钟模块(7)会产生连续的时钟信号，并经过耦合电容C0耦合后输入激励线圈(8)，激励线圈(8)中通入时钟信号后，在每个周期内都会产生一组连续的正反向激励脉冲；

当激励线圈(8)中产生正向激励脉冲并作用于TMR磁阻传感器(1)时，TMR磁阻传感器(1)中会输出与外部待测磁场成正比的正向电压V1，同时模拟开关(3)自动切换到引脚b端，所产生的正向电压V1会先储存到储能电容C1中；

当激励线圈(8)中产生反向激励脉冲并作用于TMR磁阻传感器(1)时，TMR磁阻传感器1中会产生正比于外部待测磁场的反向电压V2，同时模拟开关(3)自动切换到引脚c端，所产生的正向电压V2会先储存到储能电容C2中；储存于储能电容C1、储能电容C2中的正反向输出电压V1和V2，经加法器(6)处理后，得最终输出电压V0为：